電化學(xué)轉(zhuǎn)盤處理有機(jī)廢水裝置的研制及其應(yīng)用.pdf

1、電化學(xué)高級氧化方法作為一種操作簡便的清潔工藝,在廢水凈化方面倍受關(guān)注,目前的研究主要集中在優(yōu)化電極材料、克服電極副反應(yīng)、延長電極壽命等方面,以適應(yīng)處理廢水的需要,克服該工藝還存在的電流效率低、處理成本高及電極易鈍化等缺點。本文主要利用新型的電極材料——摻硼金剛石薄膜電極的優(yōu)越性能結(jié)合全新的電極結(jié)構(gòu)裝置——微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤新方法來嘗試進(jìn)行電化學(xué)降解有機(jī)污染廢水的研究,其中新型的摻硼金剛石薄膜電極對降解有機(jī)廢水具有高電流效率和高穩(wěn)定性,

2、微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法有利于提高傳質(zhì)速率,從而可達(dá)到提高電流效率的目的。本論文主要做了以下兩部分的研究：第一部分的工作是研制了一種新型Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤裝置,以銅(Cu)做為陰極,石墨(C)做為陽極,陰陽極交替分布在一個圓盤上。電解時轉(zhuǎn)盤的一半在水中而另一半在空氣中,通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動提高傳質(zhì)速率和加速空氣中的氧氣向溶液中傳遞,從而提高電極的氧化還原效率。主要工作具體如下：1)以模擬染料廢水為處理對象,考察了轉(zhuǎn)速、電壓、電流、pH值以及處理

3、時間等實驗條件對模擬染料廢水脫色率、化學(xué)需氧量(CODCr)去除率的影響。采用紫外-可見分光光譜(UV-Vis)、紅外(IR)、電子順磁共振(EPR)等方法分析了染料廢水降解的機(jī)理。Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法能有效地去除活性艷橙X-GN模擬染料廢水的色度。在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為70rpm,電流強(qiáng)度為0.15A,pH為7.03條件下電解60min,色度去除率能達(dá)到99.5%。UV-Vis和IR圖譜分析表明,活性艷橙X-GN在電解過程中很快被降解。EPR檢

4、測結(jié)果表明在電解過程中有自由基生成。Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法處理活性艷藍(lán)X-BR的實驗結(jié)果表明,Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法能有效的去除活性艷藍(lán)X-BR模擬染料廢水的色度和CODCr。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為70rpm,電壓為10V,pH為7.02時,電解60min色度去除率能達(dá)到96%以上,電解150min,CODCr去除率能達(dá)到61%。UV-Vis圖譜分析表明活性艷藍(lán)X-BR在處理過程中很快被降解。2)以切削液實際廢水為處理對象?？疾炝宿D(zhuǎn)速、電壓、pH值等

5、因素對處理效率的影響。Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法能有效地去除廢水的含油量和CODCr值。在轉(zhuǎn)速為60rpm、電壓為10V,pH值為7.75的條件下電解120min,含油量和CODCr去除率能分別達(dá)到94.9%和86%。與傳統(tǒng)的三維電極法相比較,Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法對切削液廢水中的含油量去除效果更好。第二部分的工作是制備了摻硼金剛石薄膜(Boron-Doped Diamond,BDD)微陣列電極,對其進(jìn)行了性能表征和電化學(xué)性能研究。將其引入BD

6、D微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤,并用于模擬染料廢水和實際染料廢水的處理。主要工作具體如下：1)本征金剛石薄膜的制備。采用熱絲化學(xué)氣相沉積法(Hot Filament Chemical Vapor Deposition,HFCVD)在硅片襯底上生長出晶形好,質(zhì)量好的本征金剛石。研究了不同預(yù)處理方法對金剛石成核密度的影響；研究了碳源濃度、沉積溫度等因素對本征金剛石生長的影響。實驗結(jié)果表明：采用粒徑0.5-1.0μm的金剛石粉研磨45min的預(yù)處理方

7、法能得到108/cm2以上的成核密度。以鉭絲(直徑0.7mm)為燈絲,燈絲與襯底之間的距離為7mm,偏流為3-4A,氣體總流量為260 SCCM,碳源濃度為0.7%,沉積溫度控制在700-750℃的情況下能得到晶形好的本征金剛石。Raman光譜檢測的結(jié)果表明,本征金剛石的質(zhì)量很好,非金剛石成份極少。2)BDD微陣列電極的制備。在本征金剛石上沉積一層SiOxNy,然后采用光刻法,在本征金剛石上制作成圖形化的SiOxNy層,然后以B2O3為

8、固體硼源,采用與生長本征金剛石相同的生長條件,進(jìn)行摻硼金剛石薄膜的生長。用氫氟酸腐蝕掉SiOxNy犧牲層便可得到摻硼金剛石薄膜微陣列電極。3)BDD微陣列電極的性能表征和電化學(xué)性能研究。采用掃描電鏡(SEM)研究了電極的表面形貌,摻硼金剛石顆粒晶形好,電極邊緣整齊。Raman光譜結(jié)果表明,BDD薄膜質(zhì)量好,非金剛石成份很少。采用三電極電化學(xué)方法研究了摻硼金剛石薄膜微陣列電極的電化學(xué)性能。實驗結(jié)果表明,電極在Na2SO4溶液中的電位窗口寬

9、(2.9V)；當(dāng)以Pt電極為對電極,BDD微陣列電極為工作電極時,其在鐵氰化鉀溶液中的電化學(xué)行為符合準(zhǔn)可逆反應(yīng)的特征；當(dāng)以一組BDD微陣列電極為對電極,另外一組BDD微陣列電極為工作電極時,其在鐵氰化鉀溶液中的電化學(xué)行為符合可逆反應(yīng)的特征。4)BDD微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法的應(yīng)用。用BDD微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法處理酸性深藍(lán)P-2RB模擬染料廢水,研究了電壓、轉(zhuǎn)速、pH對脫色效率的影響。當(dāng)電壓為8V,轉(zhuǎn)速為90rpm,pH為中性時處理效果最

10、好。電解時間為40min時,脫色率達(dá)到90%。電解3h,CODCr去除率為72%。UV-Vis圖譜分析,染料分子結(jié)構(gòu)遭到破壞,發(fā)色基團(tuán)被降解。采用BDD微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法處理實際染料廢水,電解60min,色度去除率為85%,電解90min,色度去除率能達(dá)到90%。UV-Vis圖譜分析發(fā)現(xiàn)在開始階段吸收峰下降很快,隨后變緩。電解3h后,CODCr去除率能達(dá)到65%。采用BDD微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法處理活性艷藍(lán)X-BR模擬染料廢水,電解

11、70min,色度去除率能到達(dá)95%。電解3h后,CODCr去除率能達(dá)到66%。5)通過比較Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法和BDD微陣列轉(zhuǎn)盤法發(fā)現(xiàn),在單位電極面積去除色度的效果以及能耗方面,BDD微陣列轉(zhuǎn)盤有優(yōu)勢。論文結(jié)論為：Cu-C電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法能有效去除活性染料廢水的色度和CODCr；能有效去除切削液廢水中的含油量。采用熱絲CVD法和光刻技術(shù)能制造出邊緣整齊、質(zhì)量好、性能好的摻硼金剛石薄膜微陣列電極。BDD微陣列電極電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法能有效去除模擬染料